التطبيقات الواسعة والأنواع الشائعة للغازات المختلطة

1. الرعاية الصحية

في الرعاية الصحية، تعمل الغازات المختلطة كمنقذ للحياة دون إزعاج. على سبيل المثال، تجمع الغازات المخدرة بين عوامل التخدير والأكسجين وغازات أخرى بدقة. يتيح ذلك للمرضى البقاء دون ألم وآمنين أثناء الجراحة، مما يسهل العمليات السلسة للمهنيين الطبيين. تحتوي الغازات المختلطة لعلاج الحالات التنفسية عادةً على نسبة محددة من الأكسجين والهيليوم. يمكن أن تعزز هذه الغازات وظيفة الجهاز التنفسي للمرضى، مما يخفف من أعراض مثل ضيق التنفس، وهو مفيد بشكل خاص لأولئك الذين يعانون من مرض الانسداد الرئوي المزمن، والربو، واضطرابات الجهاز التنفسي الأخرى. على سبيل المثال، قد يتكون مزيج التخدير من الإيزوفلوران (مخدر) والأكسجين، مع تعديل نسبة الإيزوفلوران بناءً على حالة المريض وطبيعة الجراحة، وعادةً ما تتراوح بين 0.5% إلى 3% ضمن المزيج. غالبًا ما يحتوي الغاز المختلط لعلاج الجهاز التنفسي على 21% - 40% أكسجين و50% - 70% هيليوم، مع غازات أثرية للحفاظ على الاستقرار.

2. صناعة البتروكيماويات

داخل قطاع البتروكيماويات، تعتبر الغازات المختلطة محورية. خلال تكرير النفط، تُستخدم الغازات الغنية بالهيدروجين والنيتروجين بشكل واسع. يمكن للهيدروجين تحويل النفط الثقيل إلى منتجات أخف من خلال عمليات مثل التكسير الهيدروجيني والتنقية الهيدروجينية، مما يحسن من جودة النفط. في الوقت نفسه، يُستخدم النيتروجين بشكل شائع لأغراض التطهير والإزاحة لضمان سلامة الإنتاج. في التخليق الكيميائي، عند إنتاج الأمونيا، يجب خلط النيتروجين والهيدروجين بنسبة 1:3 وتخليقهما تحت درجة حرارة وضغط عاليين، وبمساعدة محفز. الأمونيا، وهي مادة خام كيميائية حيوية، تُستخدم على نطاق واسع في صناعات مثل الأسمدة، والبلاستيك، والألياف، مما يدعم التنمية الصناعية الحديثة. يحتوي مزيج الهيدروجين والنيتروجين لتخليق الأمونيا عادةً على 75% هيدروجين و25% نيتروجين. في التكسير الهيدروجيني، قد يحتوي الغاز المختلط على 80% - 95% هيدروجين، مع الباقي نيتروجين وكميات ضئيلة من الميثان.

3. تجارب الأجهزة الغازية وتحليل القيمة الحرارية

تعتبر سلامة وأداء الأجهزة الغازية مهمة في الحياة اليومية. في تجارب الأجهزة الغازية، هناك حاجة إلى غازات مختلطة محددة لمحاكاة تركيبات الغاز المتنوعة. تشمل هذه الغازات الهيدروكربونية مثل الميثان، والإيثان، والبروبان وكميات صغيرة من الغازات الخاملة مثل النيتروجين وثاني أكسيد الكربون. يتيح تعديل نسب الغاز محاكاة الغاز من مناطق مختلفة. لتحليل القيمة الحرارية، تتيح الغازات المختلطة المصممة بدقة للمختبرين تحديد القيمة الحرارية للغاز، وهو مقياس رئيسي لجودة الغاز، والتسعير، وتصميم الأجهزة. في البحث والتطوير للأجهزة الغازية، يساعد اختبار القيم الحرارية للغازات المختلطة المهندسين على تحسين الاحتراق، مما يحسن من كفاءة الطاقة للأجهزة، ويقلل من النفايات والتلوث. قد يحتوي الغاز المختلط النموذجي للمحاكاة على 90% ميثان، 5% إيثان، 3% بروبان، 1% نيتروجين، و1% ثاني أكسيد الكربون.

4. أجهزة الإنذار الغازية

السلامة في الإنتاج الصناعي والحياة اليومية أمر حيوي، والغازات المختلطة لأجهزة الإنذار الغازية ضرورية للوقاية من المخاطر. في المناطق الصناعية مثل مناجم الفحم وورش البتروكيماويات، حيث قد توجد غازات قابلة للاشتعال أو الانفجار أو سامة، تُستخدم أجهزة الإنذار الغازية للمراقبة. يعتمد معايرتها واختبارها على غازات مختلطة متخصصة، تجمع بين الغازات المستهدفة (مثل الميثان، وأول أكسيد الكربون، وكبريتيد الهيدروجين) مع النيتروجين الخامل بنسب محددة. يضمن المعايرة المنتظمة بهذه الغازات القياسية أن أجهزة الإنذار يمكنها الإشارة بدقة أثناء التشغيل، مما يمنح العمال الوقت للهروب والاستجابة للطوارئ، ويمنع الكوارث المتعلقة بتسرب الغاز مثل الانفجارات والتسممات. على سبيل المثال، في تعدين الفحم، الميثان شائع. يضمن معايرة أجهزة إنذار الميثان بغاز مختلط يحتوي على الميثان سلامة عمليات التعدين وحياة العمال. قد يحتوي غاز الإنذار القائم على الميثان على 1% - 5% ميثان في النيتروجين، بناءً على نطاق الكشف لجهاز الإنذار.

5. الغازات المختلطة من فصل الهواء

تقوم تقنية فصل الهواء بعزل الأكسجين والنيتروجين والأرجون من الهواء. يتم تحضير الغازات المختلطة لتلبية احتياجات متنوعة. في الإنتاج الصناعي، تتطلب العديد من العمليات خلطات من الأكسجين والنيتروجين بنسب مختلفة. على سبيل المثال، في معالجة المعادن بالحرارة، يتم التحكم في نسبة الأكسجين إلى النيتروجين لضبط أكسدة المعادن وإزالة الكربنة، مما يحسن من جودة المواد والمنتجات. في الإلكترونيات، تُستخدم الغازات المختلطة عالية النقاء في تصنيع أشباه الموصلات. في تصنيع الرقائق، يُستخدم مزيج من النيتروجين والهيدروجين للتلدين لتخفيف الإجهاد الداخلي. في حفظ الأغذية، تعدل الغازات المختلطة من فصل الهواء غاز التغليف. يمنع مزيج النيتروجين وثاني أكسيد الكربون في أكياس الطعام الأكسدة ونمو الميكروبات. قد يحتوي غاز معالجة المعادن بالحرارة على 20% - 50% أكسجين، والباقي نيتروجين. عادةً ما يحتوي غاز تلدين الرقائق على 80% نيتروجين و20% هيدروجين.

6. اكتشاف سلامة المرور

يعتبر اكتشاف سلامة المرور أمرًا حيويًا لسلامة الطرق، وللغازات المختلطة دور رئيسي. في اختبار عوادم المركبات، هناك حاجة إلى غازات مختلطة خاصة لمعايرة المعدات. تحاكي هذه الغازات مكونات عوادم المركبات مثل أول أكسيد الكربون، وثاني أكسيد الكربون، والهيدروكربونات، وأكاسيد النيتروجين. يضمن المعايرة المنتظمة بالغازات المختلطة القياسية نتائج كشف دقيقة. يساعد الكشف الدقيق عن العوادم السلطات المرورية في تحديد المركبات ذات الانبعاثات العالية. يدفع ذلك المالكين لإجراء الصيانة، مما يقلل من التلوث ويحمي الصحة العامة. على سبيل المثال، خلال الفحوصات السنوية للمركبات، يضمن استخدام غاز مختلط بتركيزات محددة من الملوثات الرئيسية معايرة الأدوات، مما يضمن دقة البيانات والسيطرة على الانبعاثات لتحسين جودة الهواء الحضري. قد يحتوي الغاز المختلط النموذجي للمعايرة على 1% - 5% أول أكسيد الكربون، 0.1% - 1% هيدروكربونات، 0.05% - 0.5% أكاسيد النيتروجين، مع الباقي في الغالب ثاني أكسيد الكربون والنيتروجين.

7. اكتشاف عوادم المركبات

مع الزيادة المستمرة في عدد المركبات الآلية، ظهرت تلوثات العادم من هذه المركبات كقضية هامة. تعتبر الغازات المختلطة لاكتشاف عوادم المركبات ذات أهمية قصوى لأنها تعكس بدقة التركيب المعقد لعوادم المركبات. يشمل هذا التركيب أول أكسيد الكربون، وثاني أكسيد الكربون، والهيدروكربونات، وأكاسيد النيتروجين، بالإضافة إلى كميات دقيقة من المواد الجسيمية المسببة.

خلال عملية اكتشاف العوادم، تقوم المعدات بمقارنة بين مكونات العوادم المكتشفة والغاز المختلط القياسي. على سبيل المثال، في طريقة حالة العمل البسيطة، تقيس المعدات تركيزات مكونات العوادم في الوقت الفعلي تحت سيناريوهات قيادة محاكاة ثم تقارن هذه القيم بالمعايير المحددة مسبقًا. إذا تجاوزت القيم المقاسة المعايير، تتطلب المركبة صيانة وتعديل.

يوفر هذا النهج الدقيق للكشف، الذي يعتمد على الغازات المختلطة القياسية، دعمًا قويًا للحد من تلوث عوادم المركبات وتحسين جودة الهواء في المدن. قد يحتوي غاز الكشف عن عوادم المركبات الشامل على كميات ضئيلة من ثاني أكسيد الكبريت، عادة في نطاق 0.001% - 0.01%، إلى جانب الغازات المتعلقة بالجسيمات.

8. مراقبة البيئة

تعتبر مراقبة البيئة أمرًا أساسيًا لحماية البيئة العالمية، حيث تلعب الغازات المختلطة دورًا مهمًا.

في مراقبة الغلاف الجوي، تُستخدم الغازات المختلطة لمعايرة الأجهزة لقياس الملوثات مثل ثاني أكسيد الكبريت، وأكاسيد النيتروجين، والجسيمات. يضمن التحضير الدقيق لهذه الغازات دقة البيانات وقابليتها للمقارنة، مما يسمح للوكالات البيئية بتقييم جودة الهواء وصياغة السياسات.

تُستخدم الغازات المختلطة أيضًا في مراقبة جودة المياه. على سبيل المثال، يتم استخدام غاز مختلط قياسي بتركيز معروف من الأكسجين المذاب لمعايرة مقاييس الأكسجين المذاب. يعتبر قياس الأكسجين المذاب بدقة أمرًا حيويًا لتقييم التنقية الذاتية للمياه، ومستويات التلوث، وصحة النظام البيئي المائي.
قد يحتوي غاز المعايرة المختلط لثاني أكسيد الكبريت في الغلاف الجوي على 0.1 جزء في المليون - 10 أجزاء في المليون من ثاني أكسيد الكبريت في النيتروجين. يحتوي غاز المعايرة لمراقبة جودة المياه على أكسجين مذاب مضبوط بدقة في محلول قائم على غاز خامل.

9. معايرة الأجهزة في صناعة الأسمدة

تعتبر صناعة الأسمدة حيوية للزراعة، وتعتبر الأجهزة ضرورية للتحكم الدقيق في الإنتاج. تحتاج الغازات المختلطة المتخصصة للمعايرة إلى قياسات دقيقة للأجهزة. في تخليق الأمونيا أثناء إنتاج الأسمدة، يكون التحكم الصارم في نسبة الهيدروجين والنيتروجين والأمونيا ضروريًا. يتم إعداد غازات المعايرة وفقًا لتكوين الغاز الفعلي ونطاقات التركيز. تضمن المعايرة المنتظمة دقة الأجهزة على المدى الطويل. تتيح القراءات الدقيقة للمشغلين ضبط معايير الإنتاج، وتحسين العملية، وزيادة الكفاءة، وخفض التكاليف، والحفاظ على جودة المنتج، مما يوفر أسمدة عالية الجودة للزراعة. قد يحتوي غاز المعايرة لإنتاج الأمونيا على 70% هيدروجين، 25% نيتروجين، و5% أمونيا.

10. صناعة الحديد والصلب

تستخدم صناعة الحديد والصلب، وهي جزء رئيسي من الاقتصاد الوطني، الغازات المختلطة على نطاق واسع في الإنتاج.

في صهر الصلب، خاصة في صناعة الصلب بالمحول، يقوم الأكسجين النقي في الغازات المختلطة من الأكسجين والنيتروجين بأكسدة الشوائب في الحديد المنصهر بسرعة، مما يحسن جودة الصلب. يعمل النيتروجين كغاز واقٍ؛ في الصب المستمر، يشكل ستارة غازية على الصلب المنصهر لمنع الأكسدة وتحسين جودة البليت.

أثناء معالجة الصلب بالحرارة، مثل التخمير، تحمي الغازات المختلطة من الهيدروجين والنيتروجين الصلب من الأكسدة، مما يقلل من أكاسيد السطح ويحسن التشطيب السطحي والخصائص الميكانيكية.

في تحليل الغاز لإنتاج الصلب، تقوم الغازات المختلطة القياسية بمعايرة الأجهزة، مما يضمن مراقبة دقيقة لغاز الفرن لتحسين الإنتاج.

عادة ما يحتوي الغاز المختلط للأكسجين والنيتروجين في صناعة الصلب على 95% - 99% أكسجين والباقي نيتروجين. بينما يحتوي الغاز المختلط لتخمير الصلب عادة على 10% - 30% هيدروجين و70% - 90% نيتروجين.

11. قطاع الطاقة والطاقة

في مجال الطاقة والطاقة، للغازات المختلطة تطبيقات مهمة. في المعدات الكهربائية عالية الجهد، تعمل الغازات المختلطة من سداسي فلوريد الكبريت (SF6) والنيتروجين كوسائط عازلة ومطفئة للقوس. يتمتع SF6 بخصائص عزل وإطفاء قوس ممتازة ولكنه مكلف وضار بالبيئة. يساهم خلطه مع النيتروجين بنسبة مناسبة في خفض التكاليف والمخاطر البيئية مع الحفاظ على أداء المعدات. على سبيل المثال، في قواطع الدائرة عالية الجهد، يقوم الغاز المختلط بإطفاء الأقواس بسرعة أثناء التبديل، مما يحمي المعدات ويضمن استقرار نظام الطاقة.

في مجالات الطاقة الناشئة مثل أبحاث وإنتاج خلايا الوقود، تعتبر الغازات المختلطة ضرورية. تحتاج خلايا الوقود ذات الغشاء البروتوني إلى غاز مختلط من الهيدروجين والأكسجين (أو الهواء) كوسيط تفاعل. التحكم الدقيق في معدل تدفق الغاز ونسبته ضروري لتحسين كفاءة واستقرار توليد الطاقة في خلايا الوقود. يتيح تحسين إمداد الغاز المختلط وظروف التفاعل لخلايا الوقود تحويل الطاقة الكيميائية إلى كهرباء بشكل أكثر كفاءة، مما يدعم استدامة الطاقة في المستقبل.

عادةً ما يحتوي الغاز المختلط العازل للمعدات عالية الجهد على 10% - 30% SF6 و70% - 90% نيتروجين، بينما يحتوي الغاز المختلط لتفاعل خلايا الوقود على 90% - 99% هيدروجين و1% - 10% أكسجين.

12. الغازات المختلطة الشائعة في صناعة البتروكيماويات

يحتوي مجال البتروكيماويات على غازات مختلطة متنوعة ذات استخدامات فريدة. تستخدم مزيجات الهيدروجين والنيتروجين في الهدرجة، والنيتروجين والهيدروجين في تخليق الأمونيا. يحتوي غاز التكسير، الناتج عن التحلل الحراري العالي لدرجات الحرارة للهيدروكربونات البترولية، على الإيثيلين، والبروبيلين، والبيوتادين، والميثان، والإيثان، والبروبان، والهيدروجين، وأول أكسيد الكربون، وثاني أكسيد الكربون. يتم فصله للحصول على منتجات ذات قيمة مضافة عالية. يحتوي غاز الإصلاح، الناتج عن إصلاح البترول، على الهيدروجين، والميثان، والإيثان، والبروبان، والهيدروكربونات العطرية، ويستخدم في الهدرجة وصناعة البلاستيك، إلخ. يحتوي غاز العادم من إزالة الكبريت، الناتج عن إزالة الكبريت من البترول، على كبريتيد الهيدروجين، وثاني أكسيد الكبريت، والهيدروجين، والنيتروجين، وآثار من الهيدروكربونات. يحتاج إلى معالجة للانبعاثات واستعادة الكبريت. قد يحتوي غاز التكسير على 30% - 50% إيثيلين، إلخ؛ وغاز الإصلاح على 40% - 60% هيدروجين، إلخ؛ وغاز العادم من إزالة الكبريت على 1% - 5% كبريتيد الهيدروجين، إلخ.

الخاتمة

تؤكد التطبيقات الواسعة للغازات المختلطة عبر قطاعات متعددة على قيمتها الهائلة وإمكاناتها. مع تقدم التكنولوجيا وتطور الصناعات، ستستمر أنواع وتطبيقات الغازات المختلطة في التوسع والتعمق، مما يلعب دورًا متزايد الأهمية في دفع المجتمع البشري إلى الأمام.